数字孪生驱动的图书馆服务探索与思考

刘晓波

（重庆第二师范学院图书馆，重庆 400067）

1 引言

数字孪生技术作为未来实体行业里重要的基石，无论是医学分析、制造、工程建设还是航空领域都将被数字孪生赋予新生基因而发生革命性转变。面对体量巨大的馆藏资源和数字资源库，图书馆如何将服务渗透和融入用户的精神世界和文化需求中，这一工作本身不仅是图书馆服务的优势特色，更是迈向信息资源服务与创新性支持服务的智慧化思维模式。数字孪生技术提出以来，其技术演变领域和服务承载方式产生的显著成效为图书馆服务知识化、技术化及多元性等的实现提供了可能，对于发掘当前看不见的产品领域及用户服务环境的优化提质创造了前提条件。

2 数字孪生简介

从源头上探讨，“孪生体”概念应用最早萌生于美国航天局的阿波罗项目［1］，该项目利用滞留地球的飞行器来反映空间飞行器的运转情况，从而辅助宇航员在紧急情况下做出精确决策［2］，2003年美国密歇根大学教授Michael Grieves提出物理产品与虚拟数字化等价的概念，即借助特定装置的数字复制品以模拟和测试的形式抽象表达真实世界的真实条件，截至2005年此概念被称作镜像的空间模型［3］，2006-2010年是数字孪生体的肇始阶段。数字孪生体旨在通过知识集合或数字模型的形式来包络物理系统，2011年其模型基本形成并沿用至今，囊括物理空间的实体产品、虚拟产品及两者附带的数据和信息交互接口［4］。数字孪生也称数字双胞胎，其目标是将标的物体的真实状态实时同步到虚拟空间中，且两者之间具有一致的生命周期和管理时序，执行管理者借助虚拟映像来表征实体世界的“一举一动”，从而大幅度降低部件管理的冗余度，减轻人力资源的投入度，改善问题处理的复杂性。从数字孪生的概念来看，主要涉及以下5类特点：（1）互操作性。数字孪生中的物理空间和虚拟空间可实现双方的折射交融、动态交互和实时连接，能够在不同数字模型之间转换、合并以及构建“表达”的同一性；（2）可扩展性。此特点代指数字孪生具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对数字孪生技术具有的多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展和延伸，益于图书馆打破业务壁垒，拆掉空间格局相互隔绝的篱笆墙，为实现功能和服务融合等提供遐想空间；（3）实时性。即数字孪生以计算机可甄别和处理的方式，对随时间轴变化的物理实体关联的外观、状态、属性和内在机理，进行实时监护并映射于虚拟孪生体中；（4）保真性。数字孪生技术要求虚拟和实体在几何结构上具有相近性，在状态、时态等维度也要高度仿真；（5）闭环性。此特性又称为反馈控制，借助数字孪生体对物理实体的状态数据进行管理、分析和推理，便于优化反馈物理实体的运行态势，达到及时调整的目的。可见，数字孪生所具有的技术推进和机制创新双轮催生下的新型智慧发展理念，也是重塑图书馆服务治理体系和治理能力的重要载体，但是在知识供养的过程中，用户需求正发生跳跃：从普惠化转向定制化、单一性转为多元性、大众化变为精品化。因此，图书馆应在构型服务理念、守正服务初心、使用有效方法及导向可靠性上采用智能技术，让服务推广效果远离曲高和寡的境地，数字孪生技术不失为有效的方法之一。

3 数字孪生技术的三大维度优势

3.1 来自多元技术的融合性

数字孪生是一个技术体系［5］,若付诸实践须依赖于多类技术的综合应用，按分类规则依次引申出基础保障、建模计算、功能分析和创新体验四种层级，每个级别的运行部署都以前级为基础，实现各个功能的相互融合和拓展。基础保障是数字孪生应用于图书馆服务的根基，主要由高性能传感器、数据传输及数据管理周期三大部分组成，先进传感器技术用以检测图书馆物理路线及获取其环境行为数据，利用编码技术将数据转置成受保护的数字信息，尤其5G、互联网、物联网等新型基础设施的合理输入，对现实流程和数字平台两者数据流之间的双向切换和有效传输意义颇深，分布式存储技术的发展为数据管理提供平台保障，运用数据聚合和分析功能，将图书馆历史流程数据降解为易于理解的数据格式，便于预测图书馆未来服务。机器学习、人工智能等领域的技术方法使得数据特征提取和建模成为现实，挖掘和探测其中蕴含的逻辑关系，并能全面明了图书馆多媒体设备、网络以及各级管理平台的状态和寿命，设立健康状态评估机制，规避服务执行风险。功能分析是为高准确度、高实时性及智能辅助决策等多项指标服务，目标是借助高性能计算、综合体系框架、智能管理系统，实现图书馆服务产品的深度感知和优化改进。高性能计算为图书馆网络节点按需部署“算力”提供保障，使得图书馆服务由点到线、由线到面，并在整个使用周期内获得良好的性能支持。综合体系框架利用深度学习技术，更好地实现数据有效采样、知识发掘和规划决策等，并结合机器学习驱动的迭代演进，不断完善智能算法执行性能，以适应不断更新的用户服务图景。智能管理体系是孪生图书馆实现自主治理的重要环节，此技术的有效开展与数据资源体系相互嵌入，对于图书馆统一化管理、低时延管控、系统关联、实时响应等方面效果显著。数字孪生技术是集空间感知、自动化感知、泛在网络化、时空关联、VR呈现、智能运算等技术的良好统一，助力图书馆为用户提供图文并茂、全面翔实、自我学习、平行运转的创新体验模式。

3.2 赋予图书馆服务新标配

图书馆作为人类文明及社会化分工的伴生物，其最大价值在于打破人类个体自身限制、延续和传播积累的知识和经验、承担文献情报服务的责任。在数字孪生模型平台中，图书馆的一书一库、一砖一瓦皆可实现个体的数字孪生，其内外元素相当于设有空间大小的数据块，并逐渐在网络空间中集成数字孪生集合，秉持“积木式”自由组装理念，极大地提升图书馆规划效率，开创节能环保建设方案。服务构念方面，坚持首善原则和“绣花”功夫，抓好服务控规的落地实施，从技术驱动渐次向绿色、温馨、舒适等以用户为中心的人文关怀、可持续发展转变；管理体制和运行架构方面，从图书馆服务条块分割、信息资源管理效率低下向协同服务、整合高效等智慧方向转置；信息服务系统与用户关系方面，数字孪生技术与图书馆服务深度融合所形成的集成应用，使得系统单层面被动接受服务指令，向人与系统之间双向互动、动态反馈转换，形成基于学习型的智慧型标配。

3.3 超越现有图书馆治理模式

数字孪生技术应用将引发图书馆智能化管理和服务的破坏性创新，其催生的前瞻性实践和基础设施布局是推动图书馆服务转置由量变走向质变的里程碑。一方面，数字孪生融合的服务平台是实现新型图书馆转型的一种路径，即用软件赋能和远程控制实现信息可见、轨迹可追、情景交融的多元服务态势，使得精细、精准管理和个性化服务定制不再空泛化。另一方面，数字孪生技术带来的图书馆服务治理机制和治理规则变化不啻为一场革命，以模型、数据和工具形成基础能力集合，解决服务闭环过程中出现的复杂性和不确定性问题，与传统服务模式相比，其优势主要在于发现和顺应图书馆自身具有的自洽性和自组织智慧走向，实现对图书馆综合服务系统特性的认识、提炼和应用，为图书馆服务提供不竭动力。

4 数字孪生环境下图书馆服务应用情境

4.1 虚拟交互：洞悉数字空间新领域

数字孪生图书馆融合增强现实技术、CIM、物联网感知等技术形成一张图系统，以不同主题分级展示用户纸媒借阅排行、热门书籍推荐、通知公告、学科发展态势等综合评估状况，用于揭示数据在不同场景的规律趋势，以便图书馆管理者从不同场域观察当前服务流动境况。加强数字孪生技术与文化旅游之间的黏性也是催化图书馆创新自身发展的有效途径，构建虚拟景区和VR主题场馆，让人文历史景观、名人故居、文化遗址等重现，内置高效隔音耳机、高保真屏幕等，给予用户清晰音质和现实感视景，解读当地文化肌理并达到文脉赓续的双重效果。当然，数字孪生技术最直观的价值特征莫过于空间展示的可视性，其拥有的具象还原能力不仅在视觉表达上呈现1：1的效果，还对物理对象的运行规则及在现实环境行为同样适用，达到AI训练的强化叠加。其通过实景三维建模并与图书馆内部空间地理坐标信息相对应，形成图书馆结构映射的虚拟底图，馆内的楼道、馆藏书库、自助借还机、图书检索机、智能书架等各种实体资源及相应设施，在数字化的模拟空间中可以逼真再现，将不同精度的场景渲染落到实处，从全景中去识别和认定“智慧”的意义和价值，赋予服务需求端足量的视觉盛宴，将图书馆服务更多元素纳入视野，避免“空中楼阁”式服务。

4.2 精准再造：重构图书馆服务新态势

于数字生活日臻成型驱使下，图书馆环境运行数据、用户浏览轨迹、借阅流通数据、社交网络数据及情景感知数据等将成为图书馆服务塑造的“先知先觉”。当前的用户画像可针对用户阅读习惯、兴趣倾向、用户特征，实现个性化精准定制、资源细化分配［6］，但是用户画像的功能基本聚焦于少数特性标签和部分行为属性，只是数字孪生的雏形形态。图书馆数字孪生服务体系将“用户”作为核心主线，对用户进出图书馆的轨迹、逗留某馆藏时间及日常阅读等进行动态监测、协同计算，为满足不同读者刚需、打造具有多元化特色的“组合拳”奠定基础。数字孪生通过数据挖掘、数据分析等技术，对图书馆个体用户行为轨迹精准捕捉并形成个人孪生数据集，在数字空间专属服务中依据信息消费偏好、价值取向等开发用户未能察觉的潜在需求，内嵌人机交互、网页提醒、服务推荐的形式，为用户提供主动性和预测性服务。基于数字孪生理念和原理，为用户提供“贴身私教”，借助在线课堂、智能终端甚至研修间构建虚拟化“孪生老师”，用户按照自身专业结构熟悉和了解不同难度的知识体系和学习模型，具备状态监测、需求响应和及时测评能力，使得用户由填鸭式学习、被动式接受向智慧化方向适配，提升用户供给侧结构需求，有力升级用户对信息转化和知识嫁接的萃取能力。

4.3 协同管控：演绎全生命周期运行决策

数字孪生技术是图书馆服务空间价值增值的重要切入点，也是分摊建设运营成本的关键引擎。为保障图书馆空间规划的严肃性和权威性，数字孪生技术的引进改变了以往图书馆规划建设与执行管理的分离模式，取而代之的是在动态决策下协调空间资源、用户创新活动、整体业态等全要素，将图书馆统筹规划，按照分类、分区和功能空间做科学划定，协助设计人员分析图书馆每个单元存在的问题，并重现与周遭环境的因果联系和相关性，进而知道图书馆建设中哪些阶段需要雕琢，哪些进程需要细分，优化闲置空间，有助于加强体检评估机制。由于图书馆服务设定涉及多方利益相关者，不同的用户诉求相异，根据业态共生共存理念融入数字资产体系建设，使得图书馆服务各领域的整个生命周期都不断积淀有用数据，为服务的规划、设计、建设、实施、维护等阶段分布测试和集成协同，对于馆藏设施摆放、应急方案演练、灾害指数分析、用户政策影响等服务层面产生的功能覆盖优越于大数据分析，可大幅度减少物质和资源的消耗。同时，基于灵活的功能体系多组件、模块化、敏捷式的结构和服务［7］,图书馆服务具有更大的弹性和调配尺度，进一步为“以人为本”的精细布局和多元资源分配制定蓝图计划。

4.4 健康管理：透视服务环境诸多漏洞

数字孪生理念的持续延展及孪生技术的深层渗透，使得图书馆用户健康管理正经历这场数字浪潮革命驱动的破坏式改造。数字孪生氛围下，每个用户不仅可完美复制属于自身的数字孪生体，并且用户的接触环境、情绪波动、行为变化等全量生命特征都会记录其中，这样可在虚拟社区中模拟出和现实个体保持同步的孪生个体，以前所未有的清晰度和高效率增强用户对健康教育的依从性，提高用户健康素养意识。辅助构建节能低耗系统，以全程、全时连贯诊断技术获取图书馆能耗数据，判断服务系统和设备参数是否存在超限和异常增量现象，并生成故障报告以指导技术人员检修。图书馆现实实体中的错架乱架、环境卫生、光感强度等可在虚拟图纸上标注发生地点，提醒维护人员进行资源的优化配置，这个服务过程本质上将图书馆从“虚拟-现实-虚拟”的完整运行状态反哺于数字孪生空间中，实现整个流程的量化度量和深入衔接，从而更好地进行健康监测和管理。

4.5 泛在感知：灵活调度图书馆服务空间

图书馆服务孪生化的重要一环是借助二维码、射频识别等具有唯一性的数字化标识，将纸质资源、视频监控、入馆闸机、自习室等基础性设施以数字化、网络化、智能化的方式向用户开放，凭借智能终端识别任何一个标识，即可知晓相关实体的即时信息或进入服务界面进行查询及预约等服务。数字孪生技术革新过往传统图书馆自建自用感知设备的方式，以统一部署的监管体系实行集约化，多功能操作立竿见影。当然，物联感知对于图书馆数字孪生服务生态具有的拟实化供应体系至关重要，全局传感设施以及信息实时采集的有效接入，对馆内空气感知、人脸感知、电梯感知、信息感知等达到精准映射、全息镜像的目标，使得服务流动尽在掌握。泛在边缘计算有助于夯实图书馆智能化基础，边缘计算节点星罗棋布，上联云计算中心、下接感知盒子，为移动网络、物联网、信息智能分析等常态化技术应用提供低成本、高可靠、安全的边缘计算服务，有助于调节图书馆核心网络信息传输压力，提升网络智能化水准。

5 数字孪生引领下图书馆服务优化策略

5.1 消除内部藩篱

数字孪生作为近年的新知现象，其发展是从离散的数据、独立的分支结构向生态圈整合、成果协同迈进。由于图书馆服务价值链中的各个渠道通常各司其职，文献辨析、资源采购、空间设计、学科服务、阅读推广等服务紧跟线性模式向前博弈，所以有选择地交付单一产品或部分环节是目前图书馆服务的模板，但是具有降本增效、打造产品生力都由各个环节互惠决定，图书馆组织间的合作失衡有碍于服务的钻取和投入。构建数字孪生起先要破除部门之间的孤岛效应，更需贯穿图书馆虚实平行共存的多条数字主线，形成跨部门的组织机构和系统机制。数字孪生的实施并非适用于所有图书馆全流程，需“谋定而后动”，识别真正能够带来服务回报的能力点进行发展，避免由于构建不当导致超负荷运转。此外，馆员需要重构自身的学科知识背景来适应当下数字孪生平台的研究需要，掌握系统和开发工具的高级技能，这些对提升数字孪生与图书馆服务融合的认知概念和技术阐释具有深层意义。

5.2 建设外部生态

采用新技术思想体系规模化，推动数字孪生在图书馆的应用，在苦修内力的同时，让外部组织参与的关注度逐步升级。在仿真模拟的过程中，能够运用多种组织力量来探索图书馆服务设定条件和可能产生的结果，其中企业协助、部门协调、联盟机制构建等都是完善数字孪生创新服务理论和实践摸索的重要考虑因素。来自企业充足资金资助、工程项目投入和需求信息供给，及图书馆场地、资源、管理人员等各方面密切合作，这种优势互补的兼具模式补缺数字孪生技术在图书馆的运营困境，实现服务成果变革，力争图书馆技术部与企业供应链之间均衡数字孪生体系，孵化图书馆创新服务形式，从而实现互利共赢。图书馆联合高校计算机学院、信息管理学院等资深专家、硕博研究生，全方位规划图书馆全域数字标识体系、管理与服务情境、用户知识服务分析，多部门协调有益于打造稳定的服务团队，优化服务管理、预测环境。联络多个图书馆合建联盟协作模式，以协同交互、共建共享的合作理念，依据各馆资源优势和建设环境，有利于缓解图书馆独自建创数字孪生图书馆的被动性。此外，联盟成员馆可通过签订协议明确各自责权［8］，在明晰各自发展权重的基础上构建数字孪生共同体，对于改善图书馆的社会服务地位和文化效益可见一斑。

5.3 稳固平台根基

数字孪生基础设施的发展和期望是受图书馆各个系统数据集驱动、初始阶段的可行性说明及实用的长期目标决定，而不是通过“现代化”或“合理化”渠道形成的简单罗列。图书馆数字资源和研究资料库等呈递增趋势，需要新技术检索、分析、理解数字图书、音视频和人机交互衍生数据等。不可否认的是，虽然大数据和科学技术为数字孪生在图书馆应用提供新机遇，但它们不是组建数字孪生技术平台的主要产物，所以构建数字孪生服务生态需要开辟符合图书馆服务的系统通道，不仅需要适应性技术，还需依据数据治理和稳步推进原则，提升图书馆内部基建及有选择的结合整体能力、制约性和协调性完善数字孪生基础设施，实现端到端的对接、数据及通道的顺畅互通，以便找到阻碍数字孪生在图书馆服务的转型症结。数字孪生描述了利用数字工具来研究图书馆原生数字资源和服务模式镜像趋同的系列方法，解决图书馆各个环节“竖井”问题和产品有效定制的理性途径是建立标准或协议来增加图书馆数据的可获取性、可用性，有助于鉴别图书馆数字孪生平台改善点，加大服务辐射范围。

5.4 维系服务安全

将技术融入图书馆侧重于研究技术在塑造当代文化中的作用，需要调查技术如何通过影响用户的所见、所闻与所读来塑造服务，同时理解数字孪生的关键在于避免将技术设置视为对图书馆服务的入侵，其中服务安全规范化就是关键要领。图书馆读者的有关信息及隐私保护应该成为图书馆服务工作中不可或缺的重要内容［9］,平台使用行为、互动数据、背景信息、个体行为轨迹等反应用户思维活动、需求特征的颗粒化数据都会在数字孪生空间中记录在案，所以精密保障隐私安全会使图书馆服务交流效果和用户持续参与服务的态度和意愿得到长足完善。数字孪生在图书馆实战的安全研究需要一种“干预者”来标记服务偏差和错误命令，以免数字孪生系统发生失误，导致图书馆设备处于宕机状态并削弱图书馆服务声誉和用户黏性。有效、缜密且可靠的数字映射比建立数字孪生体更显得举足轻重，围绕安全目的创建人为干预机制和人机交互最佳模式，以全新方式支持图书馆服务走近用户。

6 结语

数字孪生通过对一切物理实体进行虚拟仿真，“克隆”出一个个数字双胞胎兄弟,使用者可以在虚拟场景中对未来可能面临的各种场景进行预判并实现精细模拟,并将优化结果反馈到实际场景。新技术的引入所具有的用户隐性需求外化和体验需求客体化的服务机制，使得图书馆服务模式具备心理交互和身体交互的双向功用，数字孪生也涵盖其中。作为一门新兴技术，数字孪生受到各界普遍关注，也为图书馆服务颠覆性发展指明了方向，但是将其完全应用于图书馆服务革新并非易事，需要循序渐进、逐层涉足。数字孪生在图书馆实践过程中并不完全线性伸展，应开展试点规划原则探索图书馆业务新愿景，为新环境下图书馆服务改革探索一条有效新途径。